夏淑文
(1.青島科技大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島 266042;2.山東金宇實(shí)業(yè)股份有限公司,山東 廣饒 257300)
輪胎性能直接影響汽車的驅(qū)動(dòng)性、制動(dòng)性、操控穩(wěn)定性和乘坐舒適性[1]。輪胎的均勻性與乘坐舒適性直接相關(guān),越來越受到重視。GB/T 6326—2005《輪胎術(shù)語及其定義》定義:均勻性為在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下輪胎圓周特性恒定不變的性能。
輪胎均勻性指標(biāo)中,RFV(徑向力的最大波動(dòng)值)、R1H(徑向力波動(dòng)的一次諧波)、LFV(側(cè)向力的最大波動(dòng)值)、CON(圓錐度效應(yīng)力)和PLY(帶束層角度效應(yīng)力)是輪胎的力學(xué)特性,RRO(徑向尺寸偏差)、LRO(寬度方向尺寸偏差)和BPS(胎側(cè)表面的局部粗糙程度)是輪胎的變形特性。
本工作從成型工藝出發(fā),分析半鋼子午線輪胎均勻性的影響因素,研究冠帶條纏繞張力和胎面接頭量對(duì)輪胎均勻性的影響,為改善輪胎均勻性、提高輪胎性能提供參考。
RFV和R1H是對(duì)車輛性能影響最大的輪胎均勻性指標(biāo),其影響因素較多,也較難控制。
(1)成型接頭。成型接頭的角度分散會(huì)嚴(yán)重影響RFV和R1H,也會(huì)影響輪胎的平衡性能[2]。因此在成型過程中應(yīng)根據(jù)均勻性的變化,當(dāng)然也可以結(jié)合RFV峰值對(duì)應(yīng)的胎坯位置調(diào)整工藝。
(2)接頭量。通常胎面接頭量對(duì)RFV和R1H的影響最大,成型過程中應(yīng)嚴(yán)格控制胎面長度和自動(dòng)接頭量,有條件的應(yīng)盡可能實(shí)現(xiàn)胎面自動(dòng)接頭,避免人工作業(yè)。研究表明,胎面接頭量偏差1 mm,徑向力偏差10 N。
(3)骨架材料變形。胎體簾布拉伸變形會(huì)導(dǎo)致簾線角度和密度發(fā)生變化,胎圈落圈的2個(gè)鎖塊起落速度不一致或晃動(dòng)會(huì)使2個(gè)胎圈之間的胎體簾布長度出現(xiàn)差異。研究表明:落圈位置偏差1 mm,徑向力偏差15~30 N。
(4)成型異常。胎面在抓取環(huán)上塌陷、定型中胎體與胎面碰撞、定型組合過程中壓力異常等都會(huì)影響胎坯成型。
(5)成型機(jī)精度。胎圈裝載器的對(duì)中度、成型鼓徑向跳動(dòng)等因素都會(huì)影響成型機(jī)精度。成型機(jī)精度對(duì)輪胎均勻性影響非常大,需要設(shè)立周期性的校驗(yàn)計(jì)劃。研究表明,胎圈裝載器對(duì)中度偏差1 mm,徑向力偏差約30 N。
輪胎成型過程中影響LFV的因素主要為材料貼合狀態(tài)和設(shè)備精度。
(1)材料貼合狀態(tài)。材料貼合偏歪或者局部蛇形都會(huì)影響LFV,成型過程中應(yīng)盡可能保證材料無異常拉伸并對(duì)中貼合。
胎面蛇形變形1 mm,側(cè)向力偏差約9 N;帶束層寬度偏差1 mm,側(cè)向力偏差10~30 N;帶束層接頭斷面差偏差1 mm,側(cè)向力偏差5~10 N。
(2)設(shè)備精度。定中裝置異常、后壓輥不對(duì)中或者晃動(dòng)、傳遞環(huán)在兩鼓間不對(duì)中等都會(huì)影響LFV。
材料的貼合對(duì)稱性,如胎面和帶束層貼合偏歪、胎面一段組合不到位、冠帶條纏繞不對(duì)稱等均會(huì)影響CON。壓輥不對(duì)稱也會(huì)造成胎面肩寬輥壓不對(duì)稱。
帶束層寬度偏差1 mm,CON偏差10~40 N;帶束層接頭斷面偏差1 mm,CON偏差約10 N。胎面對(duì)CON的影響最大,2#帶束層次之,1#帶束層最小。
RRO與RFV的影響因素類似,主要受接頭量的影響。
影響LRO和BPS的主要因素是胎側(cè)接頭量和胎體簾線密度。胎體接頭不符合標(biāo)準(zhǔn)容易出現(xiàn)凹陷,胎側(cè)接頭量過大容易出現(xiàn)凸起。故生產(chǎn)過程中應(yīng)嚴(yán)格控制胎側(cè)和胎體的接頭量,有條件時(shí)應(yīng)盡可能實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)定長裁切和自動(dòng)接頭,避免人工操作。
在半鋼子午線輪胎中,用尼龍簾布沿輪胎圓周方向按一定排列方式進(jìn)行纏繞,可以提高輪胎抗變形性能,防止帶束層角度變化。對(duì)于不同速度級(jí)別的輪胎,簾布纏繞方式也不相同。在纏繞過程中,冠帶條需保持一定的纏繞張力,纏繞張力過大,易造成纏繞過程中帶束層偏移而產(chǎn)生CON。冠帶條張力需同步考量帶束層寬度與二段鼓磁片的作用寬度。
張力控制單元的功能是控制冠帶條在纏繞期間的張緊程度,可以通過上位機(jī)屏幕菜單調(diào)節(jié)。張力控制裝置安裝在冠帶條貼合器上,該裝置包含1個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)輥和1個(gè)裝有張力傳感器的輥。張力傳感器安裝在加重滑塊上,以免其受損壞。張力傳感器首先檢測(cè)冠帶條的張力,并以此檢測(cè)值來設(shè)定冠帶條的張力值。
張力值通過上位機(jī)設(shè)定,張力傳感器將檢測(cè)到的電極絲張力信號(hào)相加放大,并在張力表上顯示,同時(shí)作為檢測(cè)信號(hào)反饋給張力控制器,張力控制器將檢測(cè)信號(hào)放大、采集,然后再將信號(hào)送入驅(qū)動(dòng)器中的可編程式邏輯控制器(PLC),并與設(shè)定張力值比較。二者差值經(jīng)過電流放大,張力控制單元糾正驅(qū)動(dòng)電機(jī)與旋轉(zhuǎn)鼓間的速率比,控制其輸出力矩。如此形成負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng),最終使電極絲張力保持恒定。
選取速度級(jí)別H級(jí)以上的4種規(guī)格輪胎,考察冠帶條纏繞張力對(duì)不同規(guī)格輪胎均勻性和高速性能的影響。冠帶條纏繞張力對(duì)不同規(guī)格輪胎均勻性和高速性能(按照GB/T 4502—2009《轎車輪胎性能室內(nèi)試驗(yàn)方法》測(cè)試)的影響見表1。
表1 冠帶條纏繞張力對(duì)不同規(guī)格輪胎均勻性和高速性能的影響
從表1可以看出:隨著輪胎扁平率和冠帶條纏繞張力增大,輪胎的高速性能下降,但均勻性的規(guī)律性并不明顯,考慮到張力增大會(huì)使輪胎出現(xiàn)胎冠變形的隱患,故根據(jù)扁平率控制冠帶條纏繞張力。扁平率小于45的輪胎,纏繞張力800 N較合適;扁平率大于或等于45的輪胎,纏繞張力1600 N較合適。纏繞張力同時(shí)也受冠帶條膠料配方和輪胎結(jié)構(gòu)等因素的影響。
以205/55R16 91V輪胎為例,該規(guī)格輪胎施工表要求胎面長度為1850 mm,成型作業(yè)時(shí)胎面接頭剛好對(duì)接。增大或減小胎面長度會(huì)改變接頭量。為避免成型機(jī)和人工操作差異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,本研究輪胎成型由同一操作工在同一成型機(jī)上進(jìn)行,胎坯在相同模具中和相同硫化機(jī)上硫化,試驗(yàn)方案見表2。3種方案的試驗(yàn)結(jié)果見表3。
表2 試驗(yàn)方案
表3 3種方案對(duì)輪胎均勻性的影響
從表3可以看出:與正常胎面長度和接頭量的A方案輪胎相比,胎面過短、接頭量不足的B方案輪胎的RFV和R1H分別提高6.9和7.9 N;胎面過長、接頭量過大的C方案輪胎RFV和R1H分別提高19.2和22.9 N。方案B和C輪胎的徑向力波動(dòng)的最大振幅的發(fā)生位置集中于胎面接頭處,影響輪胎的均勻性。
為防止胎面接頭量不足或過大,可以從以下3個(gè)方面進(jìn)行管理。
(1)胎面裁斷長度誤差控制在±5 mm內(nèi),但一般來講裁斷長度應(yīng)遵循宜短不宜長的原則。
(2)胎面裁斷角度一般控制在24°~28°較適宜。
(3)成型胎面貼合壓力一般控制在100~150 kPa,防止貼合過程中因壓力設(shè)定過大而導(dǎo)致胎面拉伸。另外,接頭位置盡量采用多段壓力控制,并分部位進(jìn)行壓力調(diào)整,以實(shí)現(xiàn)接頭自動(dòng)化控制。
輪胎硫化是一個(gè)不可逆過程,所以在胎坯硫化之前把握胎坯的均勻性就顯得非常重要。胎坯均勻性分析系統(tǒng)由激光掃描頭(可搭配移動(dòng)三角支架,也可固定到成型機(jī)支架上)和筆記本電腦組成。通過激光在線掃描胎坯,可以得到完整的激光掃描3D圖像,通過分析圖像可以得出對(duì)應(yīng)的改善點(diǎn),改進(jìn)胎坯的外觀形狀,快速確認(rèn)成型機(jī)參數(shù)。胎坯均勻性掃描系統(tǒng)見圖1。
圖1 胎坯均勻性掃描系統(tǒng)
輪胎均勻性受輪胎成型過程中諸多因素的影響,冠帶條纏繞張力與胎面接頭量對(duì)輪胎均勻性的影響較大。采用胎坯均勻性分析系統(tǒng)可以有效掌握胎坯的外觀形狀,快速確認(rèn)成型機(jī)參數(shù),減少廢料,提高產(chǎn)品性能。輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)研究出更多提高輪胎均勻性的方法,更好地提升輪胎性能和品質(zhì)。